環(huán)境生物化學(xué)第一章

1、環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) Environmental Biochemistry 趙景聯(lián)趙景聯(lián) 教材：教材： 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)，趙景聯(lián)主編，化學(xué)工業(yè)出版社，趙景聯(lián)主編，化學(xué)工業(yè)出版社，20072007 1 1緒論緒論 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.11.1生物化學(xué)概述生物化學(xué)概述 1.1.1生物化學(xué)的涵義 1.1.2生物化學(xué)研究的主要內(nèi)容 1.1.3生物化學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系 1.1.4生物化學(xué)的應(yīng)用和發(fā)展前景 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.11.1.1生物化學(xué)的涵義生物化學(xué)的涵義 生物化學(xué)（Biochemistry） 是介于生物與化學(xué)之間的門邊緣科學(xué)。 它是用化學(xué)的理論和方法作為主要

2、手段來研究生 命現(xiàn)象，從而揭示生命的奧秘。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.11.1.1生物化學(xué)的涵義生物化學(xué)的涵義 生物化學(xué)的任務(wù) 靜態(tài)生物化學(xué):研究構(gòu) 成生物體的基本物質(zhì) (糖類、脂類、蛋白質(zhì)、 核酸)及對體內(nèi)的生物 化學(xué)反應(yīng)起催化和調(diào)節(jié) 作用的酶、維生素和激 素的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能。 動(dòng)態(tài)生物化學(xué):研究 構(gòu)成生物體的基本物 質(zhì)在生命活動(dòng)過程中 進(jìn)行的化學(xué)變化，也 就是新陳代謝及在代 謝過程中能量的轉(zhuǎn)換 和調(diào)節(jié)規(guī)律。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.11.1.1生物化學(xué)的涵義生物化學(xué)的涵義 生物化學(xué)研究的是生命現(xiàn)象的化學(xué)本質(zhì)，一切與 生命有關(guān)的化學(xué)現(xiàn)象都是生物化學(xué)的研究對象。 從研究 對

3、象分 類 動(dòng)物生物化學(xué)：以人體及動(dòng)物為研究對象。 植物生物化學(xué)：以植物為研究對象。 普通生物化學(xué)：研究對象不局限于動(dòng)物或植物、而且一 般生物。 進(jìn)化生物化學(xué)或比較生物化學(xué)：以生物(特別是動(dòng)物)的 不同進(jìn)化階段為化學(xué)特征(包括化學(xué)組成和代謝方式)為 研究對象。 生理化學(xué)：以生理為研究對象。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.11.1.1生物化學(xué)的涵義生物化學(xué)的涵義 此外，根據(jù)不同的研究對象和目的，生物化 學(xué)還可有許多分支如微生物生化、醫(yī)學(xué)生化、 農(nóng)業(yè)生化和工業(yè)生化等等。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.21.1.2生物化學(xué)研究生物化學(xué)研究 的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容 研究體內(nèi)的物質(zhì)組成 (敘述生化)

4、 研究體內(nèi)物質(zhì)代謝 (動(dòng)態(tài)生化) 研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能 (分子生物學(xué)) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (1)(1)生物體的物質(zhì)組成生物體的物質(zhì)組成 生物體是由許多物質(zhì)按嚴(yán)格的規(guī)律組建起來的。 在生物體內(nèi)除水外，每一類物質(zhì)又包括很多種化 合物。如人體蛋白質(zhì)就有10萬種以上。各種蛋白 質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同，因而也就各種不同的功能。此外， 人體內(nèi)還含有核酸、激素、微量元素等，它們占 體重的分量雖少，但也是維持正常生命活動(dòng)不可 缺乏的物質(zhì)。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (1)(1)生物體的物質(zhì)組成生物體的物質(zhì)組成 所有這些物質(zhì)不是雜亂處堆積在一起的，它 們彼此之間有一定組成規(guī)律，從而構(gòu)成能夠體現(xiàn) 多種生物功能

5、的生物學(xué)結(jié)構(gòu)。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (1)(1)生物體的物質(zhì)組成生物體的物質(zhì)組成 蛋白質(zhì)和核酸是實(shí)現(xiàn)生命活動(dòng)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)， 而且分子量很大。通常稱之為生物高分子 (biomacromolecule)，這些生物高分子化合物由較 簡單的小分子物質(zhì)構(gòu)成，常將這些小分子稱為構(gòu) 件分子。這些構(gòu)件分子除構(gòu)成生物大分于發(fā)揮作 用外，它單獨(dú)存在時(shí)也有某些特殊作用。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (1)(1)生物體的物質(zhì)組成生物體的物質(zhì)組成 研究生物體物質(zhì)組成的另一個(gè)重要方面，是 用人工方法來合成生物大分子，其目的，不僅是 驗(yàn)證對體內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析的結(jié)果，更重要的 是在于深入認(rèn)識(shí)分子結(jié)構(gòu)與生物功能的關(guān)系，

6、探 索生命現(xiàn)象的奧秘，追索生命的起源，還可制備 極難獲得的生物活性物質(zhì)。 我國科學(xué)家在1965年首先人工合成了胰島素， 1981年合成了酵母丙氨酸t(yī)RNA，這些郁是國際上 的首創(chuàng)成果為人類作出的重大貢獻(xiàn)。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (2)(2)物質(zhì)代謝及其調(diào)控物質(zhì)代謝及其調(diào)控 生物體不斷與外界環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)交換，生物 體內(nèi)時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著極其有規(guī)律的化學(xué)反應(yīng)， 將這些過程總的稱為物質(zhì)代謝或新陳代謝 (metabolism)。 生物體通過消化吸收新攝取的營養(yǎng)物質(zhì)，在體 內(nèi)一部分被轉(zhuǎn)變成其組成成分，以保證生長發(fā)育 和組織更新的需要，另一部分被氧化分解釋放能 量以維持生命活動(dòng)。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生

7、物化學(xué) (2)(2)物質(zhì)代謝及其調(diào)控物質(zhì)代謝及其調(diào)控 體內(nèi)進(jìn)行的物質(zhì)代謝叫做中間代謝、中間代謝 的化學(xué)反應(yīng)絕大多放都在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行。 從分子 大小變 化來分 合成代謝:由小分子物質(zhì)變成大分子物質(zhì)的過程 分解代謝:由大分于物質(zhì)變成小分子物質(zhì)的過程 從生物 學(xué)意義 上來分 同化作用:將從外界吸收來的物質(zhì)轉(zhuǎn)變成體內(nèi)組 成成分的過程(以合成代謝為主) 異化作用:使體內(nèi)組成成分轉(zhuǎn)變成可排出體外的 形式的過程(分解代謝為主) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (2)(2)物質(zhì)代謝及其調(diào)控物質(zhì)代謝及其調(diào)控 中間代射中的化學(xué)反應(yīng)絕大多數(shù)是連鎖反應(yīng)， 將這種連鎖反應(yīng)叫做代謝途徑。在許多種酶的催 化下進(jìn)行。一個(gè)細(xì)胞內(nèi)有近2

8、千種酶，在同一時(shí)間 內(nèi)催化著各種不同代謝途徑中的各種化學(xué)反應(yīng)， 這些化學(xué)反應(yīng)彼此密切配合并與機(jī)體的需要精確 地相應(yīng)、構(gòu)成非常協(xié)調(diào)的統(tǒng)一體系。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (2)(2)物質(zhì)代謝及其調(diào)控物質(zhì)代謝及其調(diào)控 生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)為什么能如此巧妙地進(jìn)行呢? 是由于多種調(diào)節(jié)因素進(jìn)行調(diào)節(jié)控制來實(shí)現(xiàn)的。 首先酶的催化作用有嚴(yán)格專一性和可調(diào)控性， 又有區(qū)域分布和多酶體等特點(diǎn)。這些是在一個(gè)細(xì) 胞內(nèi)各條代謝途徑能有序進(jìn)行的基礎(chǔ)。 此外，動(dòng)物和人體內(nèi)還有神經(jīng)系統(tǒng)、激素及其它 調(diào)節(jié)物質(zhì)，通過調(diào)節(jié)酶的活力來調(diào)節(jié)代謝途徑的 方向和強(qiáng)度。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (3)(3)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) 與功能

9、的關(guān)系與功能的關(guān)系 組成生物體的各種物質(zhì)都與其生理功能密切 相關(guān)，尤其是生物高分子顯得格外突出，可以 說結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)功能是結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。一 切生命現(xiàn)象都是從具體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝的 基礎(chǔ)上體現(xiàn)出來的。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) (3)(3)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) 與功能的關(guān)系與功能的關(guān)系 因此，生物高分子的結(jié)構(gòu)與功能的研究是生物化學(xué)- 分子生物學(xué)中最引人注目的內(nèi)容 開創(chuàng)了分子 生物學(xué)時(shí)代 WatsonCrick發(fā)表了發(fā)表了DNA 分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型 Sanger 發(fā)表了胰島素分子發(fā)表了胰島素分子 中氨基酸殘基的排列順序中氨基酸殘基的排列順序 蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘

10、基 排列順序是其空間結(jié)構(gòu)與 生物功能的重要基礎(chǔ) 闡明闡明DNA半保留復(fù)制機(jī)理，破半保留復(fù)制機(jī)理，破 譯遺傳密碼，證實(shí)反轉(zhuǎn)錄作用譯遺傳密碼，證實(shí)反轉(zhuǎn)錄作用 提出了遺傳中心 法則的現(xiàn)代見解 在此基礎(chǔ)上發(fā)展起在此基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的基因重組技術(shù)來的基因重組技術(shù) 為改造生物性狀、揭開生命 奧秘又向前跨進(jìn)了一大步 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.31.1.3生物化學(xué)與其生物化學(xué)與其 他科學(xué)的關(guān)系他科學(xué)的關(guān)系 生物化學(xué)與化學(xué)的關(guān)系 19世紀(jì)末期以前世紀(jì)末期以前19世紀(jì)末和世紀(jì)末和20世紀(jì)初世紀(jì)初近年來近年來 生物化學(xué)的生物化學(xué)的 問題主要由問題主要由 化學(xué)化學(xué)(特別是特別是 有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué))及及 生理學(xué)

11、分別生理學(xué)分別 研究研究 生物化學(xué)才成生物化學(xué)才成 為一門獨(dú)立科為一門獨(dú)立科 學(xué)學(xué).研究生物體研究生物體 的化學(xué)成分必的化學(xué)成分必 須應(yīng)用化學(xué)的須應(yīng)用化學(xué)的 方法方法. 生物化合物的結(jié)生物化合物的結(jié) 構(gòu)、性質(zhì)、功能構(gòu)、性質(zhì)、功能 以及物質(zhì)代謝的以及物質(zhì)代謝的 研究上已經(jīng)廣泛研究上已經(jīng)廣泛 應(yīng)用了物理化學(xué)應(yīng)用了物理化學(xué) 的理論及技術(shù)的理論及技術(shù) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.31.1.3生物化學(xué)與其生物化學(xué)與其 他科學(xué)的關(guān)系他科學(xué)的關(guān)系 1 生物化學(xué)的一個(gè)目的生物化學(xué)的一個(gè)目的 就是通過體內(nèi)的化學(xué)就是通過體內(nèi)的化學(xué) 變化來認(rèn)識(shí)生物體的變化來認(rèn)識(shí)生物體的 生理機(jī)能，找出其化生理機(jī)能，找出其化

12、學(xué)依據(jù)。因此生物化學(xué)依據(jù)。因此生物化 學(xué)的研究工作不能脫學(xué)的研究工作不能脫 離生理學(xué)，生理學(xué)的離生理學(xué)，生理學(xué)的 研究也離不開生物化研究也離不開生物化 學(xué)。學(xué)。 2 微生物學(xué)的研究更微生物學(xué)的研究更 需要廣泛應(yīng)用生物需要廣泛應(yīng)用生物 化學(xué)的原理與技術(shù)，化學(xué)的原理與技術(shù)， 例如微生物的生理例如微生物的生理 活動(dòng)、病毒的本質(zhì)、活動(dòng)、病毒的本質(zhì)、 免疫的化學(xué)程序、免疫的化學(xué)程序、 抗體的生成機(jī)制等抗體的生成機(jī)制等 均與生物化學(xué)有密均與生物化學(xué)有密 切關(guān)系。切關(guān)系。 3 此外，細(xì)胞生物學(xué)、此外，細(xì)胞生物學(xué)、 遺傳學(xué)、胚胎學(xué)、遺傳學(xué)、胚胎學(xué)、 組織學(xué)、進(jìn)化論甚組織學(xué)、進(jìn)化論甚 至分類學(xué)的研究都至分類學(xué)的

13、研究都 離不開生物化學(xué)。離不開生物化學(xué)。 生物化學(xué)與其他生物科學(xué)的關(guān)系 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.31.1.3生物化學(xué)與其生物化學(xué)與其 他科學(xué)的關(guān)系他科學(xué)的關(guān)系 生物化學(xué)與有機(jī)化學(xué)、生理學(xué)、物理化學(xué)、分 析化學(xué)等雖然有密切的聯(lián)系，但是作為一門獨(dú)立 的科學(xué)，生物化學(xué)本身具有獨(dú)特的研究對象和研 究方法。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.31.1.3生物化學(xué)與其生物化學(xué)與其 他科學(xué)的關(guān)系他科學(xué)的關(guān)系 今天人們根據(jù)一定的研究對象和目的以 及人類生活的需要，把生物化學(xué)分為植物生 物化學(xué)、動(dòng)物生物化學(xué)、人體生物化學(xué)、微 生物生物化學(xué)、病理生物化學(xué)、臨床生物化 學(xué)、工業(yè)生物化學(xué)、農(nóng)業(yè)生物化學(xué)、環(huán)境

14、生 物化學(xué)、生物物理化學(xué)等等，因此生物化學(xué) 的研究和發(fā)展是多方面的。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.41.1.4生物化學(xué)的應(yīng)生物化學(xué)的應(yīng) 用和發(fā)展前景用和發(fā)展前景 現(xiàn)代生現(xiàn)代生 物科學(xué)物科學(xué) 生產(chǎn)實(shí)踐生產(chǎn)實(shí)踐 農(nóng)業(yè)科學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué) 生物工程或生物工程或 生物高技術(shù)生物高技術(shù) 絕大多數(shù)生 物學(xué)問題都 需要從生化 角度和用生 化方法才可 能較深入地 得到了解。 如食品、發(fā) 酵、制藥及 皮革工業(yè)， 預(yù)防、治療 醫(yī)學(xué)等都與 生物化學(xué)有 密切關(guān)系。 如研究植物的 新陳代謝的各 種過程，就有 可能控制植物 的發(fā)育，此外， 農(nóng)產(chǎn)品的貯藏 與加工，植物 病蟲害的防治 等。 遺傳工程或基因 工程；蛋白質(zhì)工 程和

15、酶工程；以 及細(xì)胞培養(yǎng)、組 織培養(yǎng)等體外技 術(shù)，用于改造物 種和生產(chǎn)對人類 有用的產(chǎn)物。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.1.41.1.4生物化學(xué)的應(yīng)生物化學(xué)的應(yīng) 用和發(fā)展前景用和發(fā)展前景 以生物化學(xué)以生物化學(xué) 的理論和技術(shù)的理論和技術(shù) 為基礎(chǔ)的生為基礎(chǔ)的生 物工程具有物工程具有 廣闊的前景廣闊的前景 改造物種培育高抗逆性、 具有特殊品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因植物 與工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)W科相結(jié)合， 在材料工業(yè)污水和廢物 處理方面發(fā)揮作用。 利用植物建造“植物工廠” ，生產(chǎn)對人類有用的 特殊生物化學(xué)物質(zhì)。 生產(chǎn)新型的藥物和疫苗， 對于治療疾病、維護(hù)人類 健康有著重要的意義 分子生物電子學(xué)對電 子計(jì)算機(jī)制造、疾病 防治

16、和生物模擬都有 重要的推動(dòng)作用。 極大地改變社會(huì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 和人們的勞動(dòng)生產(chǎn)方式。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.21.2環(huán)境生物化學(xué)概述環(huán)境生物化學(xué)概述 1.2.1環(huán)境生物化學(xué)定義 1.2.2環(huán)境生物化學(xué)的研究對象與任務(wù) 1.2.3環(huán)境生物化學(xué)的由來 1.2.4環(huán)境生物化學(xué)的學(xué)習(xí)方法 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.11.2.1環(huán)境生物化學(xué)定義環(huán)境生物化學(xué)定義 環(huán)境科學(xué)向化學(xué)提出的基本問題已經(jīng)從早期的分 析監(jiān)測方法和環(huán)境治理方法轉(zhuǎn)向環(huán)境過程研究。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.11.2.1環(huán)境生物化學(xué)定義環(huán)境生物化學(xué)定義 從廣義來講從狹義來講環(huán)境保護(hù)角度 環(huán)境生物化學(xué) 主要是研究生 物對

17、污染物質(zhì) 降解與轉(zhuǎn)化的 能力，討論生 物代謝污染物 質(zhì)的途徑。 環(huán)境生物化學(xué)是 介于環(huán)境污染化 學(xué)與生物化學(xué)之 間的一門科學(xué)。 它是研究環(huán)境中 的污染物質(zhì)在生 物體內(nèi)的代謝轉(zhuǎn) 化規(guī)律。 環(huán)境生物化學(xué)主要 研究天、地、生相 互作用的基本化學(xué) 反應(yīng)，特別是人和 生物對外來物質(zhì)和 能量所做的應(yīng)答以 及人類生活生產(chǎn)活 動(dòng)對環(huán)境影響的化 學(xué)基礎(chǔ)。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.21.2.2環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 的研究對象與任務(wù)的研究對象與任務(wù) 產(chǎn)能物質(zhì)糖類、脂類和蛋 白質(zhì)的化學(xué)、代謝規(guī)律和 基本理論 酶工程、基因工程、微生物 細(xì)胞工程和發(fā)酵工程四大 現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)原理、 作用機(jī)理及應(yīng)用技術(shù) 生

18、物催化劑-酶的化學(xué) 、作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù) 遺傳物質(zhì)-核酸的化學(xué)、 作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù) 研究烴、有機(jī)農(nóng)藥、石油 及環(huán)境激素等不易降解物 質(zhì)的生物代謝與轉(zhuǎn)化規(guī)律 及其生物降解的分子機(jī)制 研究有毒污染物的生物 積累與生物轉(zhuǎn)化與有毒 物質(zhì)的生物化學(xué)效應(yīng) 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.21.2.2環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 的研究對象與任務(wù)的研究對象與任務(wù) 環(huán)境生物化學(xué)是一門年輕的科學(xué)，我們希望 通過系統(tǒng)地闡明環(huán)境污染及其工程處理中的生物 化學(xué)基礎(chǔ)理論、原理和目前這一領(lǐng)域的最新成果 的介紹和討論，對這方面知識(shí)的全面了解，有助 于環(huán)境污染工程技術(shù)的改進(jìn)和提高，促進(jìn)環(huán)境污 染的治理和整個(gè)環(huán)境科學(xué)的發(fā)展。

19、環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.31.2.3環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 的由來的由來 環(huán)境生物化學(xué)是生物化學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，迄今 為止，還沒有一個(gè)完整的定義和概念。 近年來，隨著環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，逐漸形成了 環(huán)境化學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)和環(huán)境生物學(xué) 等分支，而且正在形成獨(dú)立的體系。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.31.2.3環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 的由來的由來 但目前這方面的內(nèi)容多半是單純從化學(xué)或生 物學(xué)的角度討論較多，在工程方面還出現(xiàn)了工 程生物化學(xué)，內(nèi)容多半局限于發(fā)酵工業(yè)方面的 生物與生物化學(xué)原理，盡管有的論著中也涉及到 一些環(huán)境生物化學(xué)問題，但仍欠全面系統(tǒng)，特別 是在適合環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程專業(yè)參考內(nèi)容方面 更顯不足。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.31.2.3環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 的由來的由來 我國目前有近200個(gè)院校開設(shè)環(huán)境科學(xué)和環(huán)境 工程專業(yè)，西安交通大學(xué)等校已將環(huán)境生物化學(xué) 作為環(huán)境工程專業(yè)本科生，環(huán)境工程和環(huán)境科學(xué) 專業(yè)研究生必修課，在據(jù)了解其他數(shù)院校也已開 設(shè)或打算開設(shè)環(huán)境生物化學(xué)課程。 環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué) 1.2.41